具体实施方式

下面结合具体实施例对本发明进行详细说明。以下实施例将有助于本领域的技术人员进一步理解本发明，但不以任何形式限制本发明。应当指出的是，对本领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明构思的前提下，还可以做出若干变化和改进。这些都属于本发明的保护范围。

本发明提供一种燃料电池热管理系统控制装置，燃料电池热管理系统控制装置包括燃料电池电堆、车载散热器、外循环温度传感器、三通阀、水泵、加热器、出堆温度传感器、入堆温度传感器和控制器。燃料电池电堆与出堆温度传感器和入堆温度传感器相连接，水泵分别与出堆温度传感器和三通阀相连接，车载散热器分别与三通阀和外循环温度传感器相连接，加热器分别与外循环温度传感器和入堆温度传感器相连接，三通阀分别与外循环温度传感器和加热器相连接。

车载散热器：车辆本身热管理系统中的外循环散热器，用来降低外循环内冷却液温度，属于车辆其他系统控制，不受燃料电池系统控制。

外循环温度传感器：用于监测外循环冷却液温度，放置位置位于车载散热器后，测得温度为Trad。

三通阀：能够通过调节阀门开度，调节冷却液进入内循环及外循环的比例，三通阀开度为Op。

水泵：推动冷却液在冷却系统中循环流动，水泵转速为Npump。

加热器：可以在冷却液需要加热时对冷却液进行加热。

出堆温度传感器：放置在燃料电池电堆冷却液出口，监测燃料电池电堆冷却液出口冷却液温度，所测得温度为Tout。

入堆温度传感器：放置在燃料电池电堆冷却液入口，监测燃料电池电堆冷却液入口冷却液温度，所测得温度为Tin。

控制器：控制器接收和发送所有信号，执行嵌入在里面控制软件中的控制逻辑，操控所有可执行器件。

控制方法包括电堆温度控制方法和电堆温差控制方法。

电堆温度控制方法包含以下步骤：

步骤S1：燃料电池电堆通常希望工作在特定温度下，表示为Tid；温度控制方法以以下流程循环执行，如图3，循环周期视控制器性能决定，通常为0.001-0.05s间。

步骤S2：通过传感器读取电堆出入口信号和外循环温度信号，Tout、Tin、Trad；实时计算出实时计算外循环温度Trad与电堆入口温度差△Trad，实时计算实际温度与理想温度的差值△T，实时计算实际温度与理想温度的差值的变化速率Dc。

步骤S3：△Trad，△T，Dc分别作为对应PID控制器的输入，输出各自的控制值；△Trad与Dc导出的控制值需要乘以各自的增益得到两者最终的控制值，增益的值视系统实际控制效果标定，通常为(0-100)，0则为取消对应变量输出的控制值，100则为最大化加强该变量对三通阀开度的影响。

步骤S4：将步骤S3所得的两个控制值与△T导出的控制值加和得到三通阀的控制开度Op；将得到三通阀的控制开度Op输出到控制器，控制三通阀得到对应开度到Op。

步骤S5：当温度小于目标温度时，打开加热器，当温度大于目标温度时，关闭加热器。

电堆温差控制方法包含以下步骤：

步骤1：电堆出入堆温差控制方法以以下流程循环执行，如图3，循环周期视控制器性能决定，通常为0.001～0.05s间；通过传感器读取电堆出入口信号和外循环温度信号，Tout、Tin、Trad，并读取三通阀的开度信号Op。

步骤2：实时计算电堆出入口温度的差值△Tstack，实时计算外循环温度Trad与电堆入口温度差△Trad；△Tstack作为对应PID控制器的输入，输出由电堆温差驱动的PID水泵转速控制输出值Npump1。

步骤3：△Trad作为对应PID控制器的输入，输出由内外循环冷却液温度差驱动的PID水泵转速控制输出值Npump2；根据开度信号Op查表得到增益值(0-100)，增益的值视系统实际控制效果标定，通常为(0-100)，0则为取消对应变量输出的控制值，100则为最大化加强该变量对水泵速度的影响。将该增益值乘以Npump2得到由内外循环冷却液温度差和三通阀开度驱动的水泵转速控制输出值Npump3。

步骤4：将Npump1和Npump3相加得到水泵的实际控制转速Npump；将得到水泵转速控制目标Npump输出到控制器，控制水泵达到对应转速Npump。

车载散热器用于安装在燃料电池车车头，对外循环的冷却液进行散热，该系统由整车控制器由整车需求进行控制，不受燃料电池系统影响。车辆运行快的时候，车载散热器由于车速的上升，被动进风量增大，冷却性能还会进一步提升，而且不消耗任何额外车辆的燃料。

温度传感器安装在燃料电池电堆冷却液入口，出口的冷却液管路上，以及外循环车载散热器冷却液出口管路上，用于实时监测这几个位置冷却液的温度。

当燃料电池系统开始工作后，燃料电池开始发散热量，其内部的温度会升高。通过运行水泵，冷却液在燃料电池系统内循环，流过电堆内可以将电堆内的热量带出，送往车载散热器内将热量散出。冷却后的冷却液再又流回电堆，实现燃料电池电堆温度的控制。水泵转速越快，冷却液流量越大，从燃料电池电堆内带出热量的速度越快，也能过越快地将热量送往外循环散出。

当电堆出入口产生温度差时，用温差(如5℃)作为对应PID控制器的输入，输出由电堆温差驱动的PID水泵转速控制输出值，输出值根据水泵的类型可以在1000-10000区间。另外内外循环冷却液温差也要作为对应PID控制器的输入，输出由内外循环冷却液温度差驱动的PID水泵转速控制输出值。根据三通阀的开度信查表得到增益值(0-100，如全开外循环时，增益为100，全关只有内循环时，增益为0即关闭内外循环温差的影响)，将该增益值乘以由内外循环冷却液温度差驱动的PID水泵转速控制输出值得到由内外循环冷却液温度差和三通阀开度驱动的水泵转速控制输出值。将由电堆温差驱动的PID水泵转速控制输出值和由内外循环冷却液温度差和三通阀开度驱动的水泵转速控制输出值相加得到水泵的实际控制转速。水泵转速越快，冷却流量越大，电堆的出入堆温差就能被降低。另外，由于内外温差较大时，引入外循环冷却液时会造成电堆出入口温差较大，因此在这种情况下，需要进一步根据外循环冷却液进入内循环的量(通过三通阀进行判断)增大水泵转速。

当燃料电池系统的温度不够高时，实际温度与理想温度的差值△T为负数，通过滤波后为0℃。此时没必要打开三通阀让冷却液流入外循环进行散热，因此输出三通阀开度为0，让所有冷却液在燃料电池系统内循环内流动。同时打开加热器，控制冷却液不进入外循环，只在燃料电池系统内循环流动，可以保持燃料电池系统的热量，使燃料电池电堆稳定升温。

当温度超过目标温度后，关闭加热器，实时计算出实时计算外循环温度Trad与电堆入口温度差△Trad，实时计算实际温度与理想温度的差值△T(如0-20℃)，对△T的数据求导，得到实时计算实际温度与理想温度的差值的变化速率Dc，△Trad，△T，Dc分别作为对应PID控制器的输入，输出各自的三通阀开度控制值(0-100％开度)。由△Trad与Dc导出的控制值乘以各自的增益，将△Trad导出的控制值乘以50，将Dc导出的控制值乘以10。将所得两个增益后的控制值与△T经PID控制器导出的控制值加和得到三通阀的控制开度Op(0-100％开度，0为冷却液全部在内循环流动，100为冷却液全部进入外循环再循环会到燃料电池系统内)。通过调节三通阀开度，将部分或者全部冷却液都分流到外循环内，进行热量的散出，循环回来后，降低燃料电池电堆的温度到目标温度。

电堆出入堆温差和电堆温度控制流程都在控制器内循环运行，循环周期视控制器性能决定，通常为0.001-0.05s间。

本发明还提供一种燃料电池热管理系统控制系统，控制系统应用上述中的一种燃料电池热管理系统控制装置，控制系统包括电堆温度控制系统和电堆温差控制系统。

电堆温度控系统包括如下模块：

模块M1：通过传感器读取电堆出入口信号和外循环温度信号，Tout、Tin、Trad；

模块M2：计算出外循环温度Trad与电堆入口温度差△Trad，计算实际温度与理想温度的差值△T，计算实际温度与理想温度的差值的变化速率Dc；

模块M3：△Trad，△T，Dc分别作为对应PID控制器的输入，输出各自的控制值；

模块M4：△Trad与Dc导出的控制值乘以各自的增益得到两者最终的控制值；

模块M5：温度小于目标温度时，打开加热器，温度大于目标温度时，关闭加热器。

电堆温度控制系统还包括将得到的两个控制值与△T导出的控制值加和得到三通阀的控制开度Op；将得到三通阀的控制开度Op输出到控制器，控制三通阀得到对应开度到Op。

电堆温差控制系统包括如下模块：

模块1：通过传感器读取电堆出入口信号和外循环温度信号，Tout、Tin、Trad，并读取三通阀的开度信号Op；

模块2：计算电堆出入口温度的差值△Tstack，计算外循环温度Trad与电堆入口温度差△Trad；

模块3：△Tstack作为对应PID控制器的输入，输出由电堆温差驱动的PID水泵转速控制输出值Npump1；

模块4：△Trad作为对应PID控制器的输入，输出由内外循环冷却液温度差驱动的PID水泵转速控制输出值Npump2；

模块5：根据开度信号Op查表得到增益值；

模块6：将得到水泵转速控制目标Npump输出到控制器，控制水泵达到对应转速Npump。

电堆温差控制系统还包括将增益值乘以Npump2得到由内外循环冷却液温度差和三通阀开度驱动的水泵转速控制输出值Npump3；将Npump1和Npump3相加得到水泵的实际控制转速Npump。

本发明大量利用车辆已有热管理系统部件，其所含零部件简单，能够实现可靠的燃料电池电堆温度控制，发挥燃料电池电堆的最佳性能，降低寿命损害；燃料电池热管理系统结构简单，利用车辆自有的冷却系统，简化了系统构造，降低了成本，提高了集成度。

本领域技术人员知道，除了以纯计算机可读程序代码方式实现本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以外，完全可以通过将方法步骤进行逻辑编程来使得本发明提供的系统及其各个装置、模块、单元以逻辑门、开关、专用集成电路、可编程逻辑控制器以及嵌入式微控制器等的形式来实现相同功能。所以，本发明提供的系统及其各项装置、模块、单元可以被认为是一种硬件部件，而对其内包括的用于实现各种功能的装置、模块、单元也可以视为硬件部件内的结构；也可以将用于实现各种功能的装置、模块、单元视为既可以是实现方法的软件模块又可以是硬件部件内的结构。

以上对本发明的具体实施例进行了描述。需要理解的是，本发明并不局限于上述特定实施方式，本领域技术人员可以在权利要求的范围内做出各种变化或修改，这并不影响本发明的实质内容。在不冲突的情况下，本申请的实施例和实施例中的特征可以任意相互组合。